聚焦關鍵問題推進深度教學

摘 要：聚焦“磁流體發電機”關鍵問題，掌握“受力與運動分析”“化立體為平面”“宏微結合”等研究方法，論證電動勢大小與是否接入負載無關，揭示其電磁感應本質。討論磁流體發電機發電能力的影響因素，離子流速方向的壓強差，為生產實踐提供理論依據。

關鍵詞：關鍵問題；宏微結合；發電能力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0013-4

所謂深度，是指觸及事物本質的一種教學方式，具有以下特征與要求：

（1）學科角度，有深度的教學應體現和反映學科本質內容，致力于培養學生解釋、分析問題的意識和眼光。

（2）教師角度，有深度的教學要求教師要對問題鉆得深、研得透。超越知識表層結構而進入深層結構，挖掘蘊含在知識內部的思維方式和價值取向。

（3）學生角度，有深度的教學要促進學生思維水平的發展、思維品質的提升和思維態度的養成，引導學生獲取知識背后豐富的思維價值。

帶電粒子在組合場中的運動問題，是高中物理的重點和難點，通常以電場和磁場交替，或是電場和磁場復合的模型呈現。磁流體發電機是此類模型的重要應用，也是物理學科知識指導生產生活實踐和現代科技發展的重要體現。筆者在教學中發現，學生對其物理原理和微觀本質理解不透徹，對結論和公式“死記硬背”居多。筆者嘗試聚焦“磁流體發電機”的關鍵問題開展復習教學，挖掘微觀本質，揭示思維方法，以期發展學生的高階物理思維和學科核心素養。

1 提出問題，引發思考

問題意識，是指人們在認知過程中碰到的難以解決、存在疑慮的問題，并由此產生的困惑、探索的心理狀態。這種心理狀態會不斷驅使個體積極思考、批判探索。在教學過程中，教師要不斷激發學生的問題意識，引導學生在發現問題、提出問題、解決問題的過程中達到能力提升、思維訓練的目的。

教學環節：回顧帶電粒子運動在現代科技中的幾類常見應用，如質譜儀、回旋加速器、速度選擇器、磁流體發電機等，溫習研究方法。如圖1為磁流體發電機模型，已知磁感應強度B，極板間距d，離子速度v，外電阻R，極板間等效內阻r。引導學生思考并討論關于磁流體發電機的幾個關鍵問題，如表1所示。

2 追本溯源，分類論證

關鍵問題促使學生思考其物理本質。如電動勢如何產生？對應的非靜電力是什么？電動勢大小是多少？電動勢大小是否和接入負載有關？電壓、功率、電場強度大小等和哪些因素有關？讓學生帶著問題進入課堂，有利于提升學生學習的獲得感，促進深度教學的有效性。

教學環節：如圖2，引導學生把磁流體發電機的實物圖轉化為平面圖，體會“化立體為平面”的研究方法。分“接入負載”和“不接負載”兩種情況進行分析，如表2。

從上述分析發現，無論是否接入負載，磁流體發電機的電動勢E始終等于Bdv。根據定義：電源電動勢的大小等于電源內部非靜電力對單位正電荷做功的數值，即E==dvB，若兩極板作為電源，要產生穩定的電動勢，電源內部必然有非靜電力存在，從宏觀上看，垂直于極板方向的洛倫茲力充當非靜電力。

3 宏微結合，關聯類比

在物理規律的探究過程中，宏觀和微觀相互佐證、相輔相成的研究方法，體現物理規律的嚴密性，有助于學生形成和發展科學思維。

教學環節：若接入負載，極板內外形成電流回路，如圖3，極板間的正、負離子存在垂直極板方向的定向移動（因電源內外部電流大小相同，該速度暫且認為和外電路電子定向移動速率v相同）。垂直極板方向的離子定向移動速度v對應水平向左的洛倫茲力f2=qvB，n個洛倫茲力疊加，FA=nf2=nqvB=ItvB=BId，即得到宏觀呈現的安培力。離子朝兩極板積聚的過程，合速度方向斜向右上方，合洛倫茲力方向斜向左上方。

復習課教學強調知識關聯和體系建構。知識的獲得過程是新舊知識相互作用的過程，不僅需要關注知識自身的發生、形成和發展的內在過程，更要關注它與原有知識的有機聯系。通過關聯，學生具備了在新舊知識中求同存異的能力，豐富了原有的認知結構。如果教師把所傳授的知識置入關聯之中，課堂里的知識空間就自然形成了。

教學環節：引導學生思考比較與“磁流體發電機”相似的物理模型，回顧“動生電動勢”的學習，導體棒在磁場中切割磁感線產生感應電動勢。如圖4，對導體棒內部自由電子的受力情況、洛倫茲力做功情況開展類似的分析可得，導體棒兩端的感應電動勢E=dvB。故可把進入磁流體發電機兩極板間的一排正、負離子看成是一根向右運動的“導體棒”，在切割過程產生感應電動勢也是E=Bdv，說明發電本質即“單棒切割”本質。

4 聚焦思維，拓展深化

教學環節：

猜想：磁流體發電機的發電能力與哪些因素相關？

學生：磁感應強度B，離子噴射速度v。

如圖5，若磁流體發電機極板間等離子體自左向右射入，噴射速度為v。已知極板間長、高、寬分別為l、a、b，磁感應強度為B，外電阻為R，等效電阻率為ρ。若回路為純電阻電路，在接入負載后：

5 反饋實踐，助推生產

物理學科作為自然科學的重要分支，與生產生活實踐有著密切關聯。緊密聯系生活實際，有助于學生加深“物理知識來源生活，回饋實踐”的體會。

教學環節：

磁流體發電機有何優點和缺點？采取學生回答、教師補充的方式。

優點：環保，廢氣依然高溫，可以不排入大氣，循環利用。

缺點：功率偏小，強磁場難以獲得，等離子體附著在正負極板上，對材料耐高溫、耐腐蝕要求高。

綜上所述，以“磁流體發電機”復習課教學為例，用五個關鍵問題為引，深度探討、論證磁流體發電機的電動勢大小與是否接入負載無關，并揭示其電磁感應本質。引導學生掌握“受力與運動分析”“化立體為平面”“從微觀到宏觀”等研究方法；理解“能量搬運工”洛倫茲力永不做功的物理觀念；討論發電能力影響因素和離子流速方向的壓強差，為生產實踐提供理論依據，培養學生形成高階物理思維，提升學科核心素養。

參考文獻：

［１］張軼炳．動態信息加工模型下的自主科學探究培養學生的物理核心素養［Ｊ］．物理教學探討，２０２１，39（１１）：１－５．

［２］於羅英．淺析“磁流體發電機”的教學難點突破［Ｊ］．中學物理教學參考，２００８，37（３）：１６．

（欄目編輯 趙保鋼）